Методы / Основы фотоники

протекает через центральную (заштрихованную) часть структуры, что позволяет уменьшить число генерируемых мод. К сожалению, такая структура практически не обеспечивает боковых электронного и оптического ограничений. Для возникновения таких ограничений необходимо изменить характеристики боковых областей, что может быть достигнуто за счет их бомбардировки протонами или травлением мезоструктуры.

а б Рис. 3.6. Структура полупроводникового лазера: а – полосковый лазер;

б – РОС-лазер с выводом излучения под углом к АО

Ряд преимуществ имеют лазеры, выполненные с использованием резонатора с распределенной обратной связью (РОС). Такие лазеры обладают высокой термостабильностью, поскольку длина волны излучения в них определяется не температурным изменением ширины запрещенной зоны полупроводника, а более слабой зависимостью показателя преломления от температуры. Кроме того, в РОС-лазерах нет нужды беспокоиться о качестве и оптической прочности зеркал. РОС возникает при рассеянии фотонов на периодических неоднородностях, период b которых подчиняется закону Вульфа–Брэгга:

где m – порядок дифракции. Если b = λ/2n, то свет отражается только назад. При m ≥ 2 рассеяние света возможно также под углом к активной области, что позволяет сделать независимыми обратную связь и направление вывода излучения (рис. 3.6, б).

3.2. Описание установки

Блок-схема установки для исследования характеристик полупроводниковых лазеров изображена на рис. 3.7. Лазер без коллимационной системы (рис. 3.7, а) установлен в специальном держателе, который позволяет вра-

40

щать лазер в двух плоскостях и исследовать диаграмму направленности. Излучение, вышедшее из лазера, попадает в оптическое волокно, оно в свою очередь, соединено с оптоволокном, подключенным к спектрометру быстрого сканирования. Спектрометр позволяет проводить измерения спектральных характеристик лазера за время меньшее, чем 100 мс. Спектр излучения лазера отображается на экране монитора и может быть записан в память компьютера в виде текстового файла.

Источник

Держатель

ПК

б

Зонд

СБС

Держатель

Нагреватель

а

Источник

питания

нагревателя

Рис. 3.7. Блок-схема оптической установки для исследования полупроводникового гетеролазера

На рис. 3.7, б представлена блок-схема оптической установки для исследования температурных зависимостей спектра излучения лазера, а также измерения ВАХ при различных температурах. В этом случае держатель является неподвижным, а лазер дополняется коллимационной системой. Излучение лазера попадает в оптическое волокно, которое соединено со спектрометром быстрого сканирования.

Нагреватель представляет собой два элемента Пельтье, температура которых управляется изменением тока на дополнительном источнике питания.

41

вода добиться максимума показаний спектрометра (если в этом есть необходимость).

3. Показ

6. Измерить спектр спектра и остановить

Рис. 3.9. Интерфейс программы SpectraSuite

43

4.Настроить диапазон измерения в программе SpectraSuite. Для этого, установить усреднение просмотров 3 ед., ток лазера 25 мА и изменить время интеграции (11) таким образом, чтобы интенсивность спектров на экране была максимальной, но при этом не было переполнения (полочки в верхней части спектра, спектр должен быть «острым»). Значение времени интеграции должно составить примерно 30 мс. Время интеграции для каждого лазера будет разным!

5.Сохранить спектр на диск компьютера. Для этого нажать кнопку (10)

ив появившемся окне выбрать в графе «File type» выбрать пункт «Tab Delimited». Нажав кнопку «Browse», перейти в папку D:\Students, создать папку группы (если ее еще нет) и бригады (например, D:\Students\6202\6202- 1\). Ввести имя файла в соответствующем поле. Рекомендуется использовать следующий формат названия: «I25 T20.txt», где I – обозначение тока накачки лазера, цифра рядом с буквой – значение тока в мА (I25 – ток I = 25 мА), Т – температура (T20 – 20 ºС). Окно папки закрыть и сохранить файл, нажав «Save». Следует обязательно убедиться, что файл сохранен в правильной папке в правильном формате (txt), для чего необходимо перейти в папку с помощью стандартного Проводника Windows, найти и открыть файл. Название каждого файла следует записывать в протокол измерений.

6.Измерить диаграммы направленности излучения лазера. Включить лазер 1. Установить максимальный ток накачки (примерно 25 мА). Подобрать масштаб графика в программе SpectraSuite по ширине окна. Подобрать время интеграции в программе, чтобы спектр не «обрезался» (интенсивность лазера должна быть около 13000 – 14000 усл. ед. при максимальном токе). Изменять угол наклона лазера по малой шкале от 60 до 120° через 5° и сохранять спектр излучения лазера в каждой точке. Затем установить угол поворота по большой шкале (вращение вокруг оси излучения лазера) на значение 90° и повторить измерения по малой шкале от 60 до 120° через каждые 5°.

7.Провести измерения ВАХ и влияния температуры на спектр излучения. Для этого необходимо выключить второй лазер (предназначенный для измерения диаграммы направленности излучения) и включить первый лазер на стенде. Подобрать время интеграции в программе, чтобы спектр не «обрезался» (интенсивность лазера при максимальном токе должна быть около 13000 – 14000 усл. ед. при максимальном токе).

44

8.Измерить вольт-амперные характеристики (ВАХ) и изменение спектра излучения лазера. Задавать нужное значение тока в пределах от 0 до 25 мА с интервалом в 3 мА и фиксировать соответствующие значения напряжения и тока по показаниям мультиметров, размещѐнных на лабораторном стенде, а также сохранять спектр в каждой точке ВАХ (вентиляторы должны быть включены).

9.Установить ток накачки I = 25 мА с помощью вращения ручки подстроечного резистора, ориентируясь на показания мультиметра (вентиляторы должны быть включены).

10.Измерить спектры при различной температуре. Для этого включить источник питания термоэлемента Пельтье (кнопка включения на задней стенке источника). Регулируя силу тока, подаваемого на термоэлемент (не превышать ток 2,5 А и напряжение 15 В), изменять температуру в преде-

лах от минимальной температуры (5 – 10 ºС) до 50 ºС с шагом примерно в 8 ºС. При одной полярности питания термоэлемента Пельтье он охлаждается, при смене полярности – нагревается (вентиляторы должны быть включены).

11.Выключить питание лазеров, термоэлемента и мультиметры.

3.4. Обработка результатов и содержание отчета

Отчет должен содержать следующие результаты.

1.Цель работы.

2.Блок-схемы установки.

3.Вольт-амперные характеристики для разных значений температуры, представленные в виде графика. Построение зависимостей для каждого пункта выполняется на одном графике, если это не оговорено отдельно.

4.Спектральные характеристики при различных значениях прямых токов. Спектры должны быть построены на одном графике. Для каждой из осей на графиках должны быть обязательно выбраны оптимальные диапазоны длин волн и интенсивностей соответственно. На всех графиках должны быть обозначены величины, откладываемые по осям, и приведены единицы их измерения.

5.Зависимость длины волны, соответствующей максимуму излучения от тока, протекающего через лазер λmax = f(Iпр) в виде таблицы и графика.

6.Ватт-амперные характеристики, т. е. зависимость мощности излучения (рассчитываемой как площадь под спектральной характеристикой) от тока, протекающего через лазер Pmax = f(Iпр).

45

7.Результаты определения порогового тока лазера из ватт-амперных характеристик.

8.Зависимость интенсивности излучения лазера от угла наклона лазера.

9.Спектры излучения лазера при разных значениях температуры на одном

графике (на графике показывать только интересующий диапазон по длинам волн).

10.Зависимость длины волны в максимуме излучения от температуры. 11.Зависимость порогового тока лазера от температуры (на графике показы-

вать только интересующий диапазон по длинам волн).

12. Выводы с подробным описанием каждой полученной характеристики.

3.5. Контрольные вопросы

13.Пояснить особенности создания инверсной населенности в полупроводниках.

14.Перечислить и пояснить методы возбуждения, используемые в полупроводниковых лазерах.

15.Почему диаграммы направленности инжекционного лазера различны в разных плоскостях?

16.Дать описание экспериментальной установки и пояснить назначение ее отдельных элементов.

17.Пояснить влияние плотности тока на спектр излучения лазерного диода. 18.В чем заключаются преимущества гетероструктур перед обычными р–

n-переходами при создании инжекционных лазеров?

19.Пояснить эффекты односторонней инжекции, сверхинжекции и волноводный эффект в двойной гетероструктуре.

20.Чем определяются оптимальные размеры активной области лазера на двойной гетероструктуре (толщина, ширина и длина)?

21.В чем состоит принцип раздельного электронного и оптического ограничений и как он реализуется в РО ДГС-лазерах?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТОДИОДОВ

Целью работы является исследование характеристик и определение основных параметров приемников оптического излучения – полупроводниковых фотодиодов.

46

4.1. Основные сведения о полупроводниковых фотодиодах

Фотодиоды в настоящее время являются наиболее распространенными приемниками излучения. Основным элементом фотодиода является р– n-переход, наличие потенциального барьера и внутреннего электрического поля в котором создает благоприятные условия для пространственного разделения носителей заряда, созданных в результате фотоактивного поглощения света. Это позволяет использовать фотодиодные структуры как для де-

области объемного заряда и n-области. В этом случае в соответствии с законом Бугера–Ламберта в каждой из областей фотодиодной структуры будет происходить поглощение фотонов с энергией ħω > Eg. Электроны, находящиеся в валентной зоне, в результате квантовых переходов с поглощением фотона будут переходить в свободное состояние в зоне проводимости, а на их месте в валентной зоне появятся дырки, т. е. будет происходить процесс генерации электронно-дырочных пар (внутренний фотоэффект). У фотонов с ħω < Eg будет недостаточно энергии для генерации пар, и фотоактивного поглощения происходить не будет.

Если поглощение фотона произошло в p- или n-области далеко от области объемного заряда, то для сгенерированных неравновесных носителей будет очень высока вероятность рекомбинации. В области объемного заряда p– n-перехода существует внутреннее электрическое поле Е, под воздействием которого свободные носители заряда будут перемещаться в противоположных направлениях: электроны – против поля в n-область, а дырки – по полю в p-область (процесс 1 на рис. 4.1). Однако толщина слоя объемного заряда

47

обычно очень мала, поэтому вероятность поглощения фотона в этой области также незначительна. Генерация светом избыточных носителей заряда происходит в основном в областях, непосредственно примыкающих к p–n-пере- ходу (процессы 2 и 3). Эти избыточные носители заряда диффундируют к области объемного заряда. Если генерация произошла на расстоянии меньшем, чем диффузионная длина Ln или Lp для неосновных носителей заряда, то они успеют дойти до p–n-перехода, не рекомбинируя с основными носителями. В области объемного заряда неосновные носители подхватываются полем

ивыбрасываются в противоположную область структуры. Созданные светом

иразделенные p–n-переходом избыточные носители заряда накапливаются

в разных областях, при этом p-область будет заряжаться положительно, а n-область – отрицательно.

Таким образом, под действием света в p–n-переходе происходит разделение носителей заряда и в режиме холостого хода в фотодиоде возникает разность потенциалов Uх. При замыкании контактов через нагрузку будет течь фототок Iф, пропорциональный скорости генерации G избыточных элек- тронно-дырочных пар в области, ограниченной диффузионными длинами неосновных носителей заряда. Этот фототок будет изменять (уменьшать) контактную разность потенциалов, вследствие чего через переход начнет проходить ток в прямом направлении:

где IS – ток насыщения, который создается свободными носителями заряда, генерируемыми за счет теплового возбуждения.

Фототок обусловлен неосновными носителями заряда, поэтому он совпадает по направлению с обратным током р–n-перехода. Можно считать, что величина фототока практически не зависит от приложенного напряжения. Тогда вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотодиода (4.1) при освещении имеет следующий вид:

Это общее уравнение фотодиода. ВАХ р–n-перехода в отсутствии освещения (G = 0) и при воздействии света (G > 0) представлена на рис. 4.2. При разо-

48

(Ф = 0) и при воздействии света (Ф > 0)

электромагнитного излучения с длиной волны, лежащей внутри диапазона чувствительности фотоприемника.

Зависимость фототока от величины светового потока Ф для такого режима работы является линейной. Аналогичная зависимость наблюдается для фототока короткого замыкания Iк.

В вентильном режиме фотодиод сам используется в качестве источника напряжения или тока. Такому режиму соответствует второй квадрант ВАХ. При этом фотодиод нагружен на сопротивление R, ток и напряжение находят из общего уравнения фотодиода (4.2)

где IR = UR/R.

В вентильном режиме фотодиод работает как преобразователь оптической энергии в электрическую. Мощность, снимаемая с фотодиода, определяется площадью квадрата, ограниченного IR и UR (рис. 4.2). Этот режим

49